超声波流量计在天然气长输管道上的应用研究

摘 要：超声波流量计是一种非接触性流量测量仪表，无需改变天然气长输管道内部流动状态，同时几乎不受管道内介质运行的压力、易燃性易爆等恶劣条件影响，因此在天然气长输管道流量测量应用上具有突出优势。本文介绍了超声波流量仪表的测量原理、安装注意事项、目前存在的问题，在同类应用中提供了一些可以借鉴的经验和方法。

关键词：超声波流量计 测量原理 安装 缺点

中文图号：TE832 文献标识码：B

引言：

超声波流量计最近十几年越来越广泛应用于天然气长输管道流量测量或计量过程中，因其无需直接接触被测介质，可以在管道器壁外直接实现测量，避免了管输生产运行因接触测量而产生的影响，使安全生产有了进一步的保障。采用超声波流量计时无需在长输天然气管道内部安装测量元件，不改变天然气长输管道内部的流动状态，不产生附加阻力。超声波流量计的的安装、检修及日常运行维护均不影响天然气管线正常工艺生产运行，因此是一种较为理想的流量计量仪表。同时几乎不受管道内介质运行的压力、易燃性易爆等恶劣条件影响，在仪表选用上可以选择便携式测量和普通非接触式测量两种测量方式，极大地解决了常规仪表必须采用接触式这一测量方式的一些弊端，可以方便地实现有毒有害、易燃易爆、腐蚀性介质的流量测量。根据检测的方式主要可以分为多普勒式和传播速度差式两大类，主要介绍了最为常用的多普勒超声波流量计测量原理、安装注意事项及存在的测量缺点。

一、多普勒频移超声波流量计测量原理

图1原理示意图

如图1所示，换能器T发射极向管道内发射超声波，管道内介质流速为V，声速为C，则管道中的粒子将以速度离去。若换能器发射超声波的频率为H1，粒子接收到的频率为H2。

…………（1）

粒子反射给接收器的声波频率为HS：

…………（2）

方程（1）、（2）联立可得：

公式中声速C远大于介质流速V，即C>>V，可得：

因此

式中：?H称为多普勒频率，多普勒频率域流体流速成比例关系。

二、安装注意事项

1.超声波流量计传感单元安装时需在管道停运状态下完成，一般设计为两路支线分别切换进行安装。

2.测量仪表的传感单元尺寸必须与管输内外径相一致，其误差应控制在±1%以内，以免安装产生偏差；

3.为了能够有效避免换能器声波表面受颗粒或空气的干扰，超声波流量计传感单元最好选在在与水平方向呈45°的范围内安装，尽量避免干扰。

4.上下游应保证有必要的直管段，上游直管段最少为 10D，下游直管段至少为5D[1]；

5.对管道壁有防腐保温层时，应先拆除防腐保温层，再将出的管道壁进行打磨清理直至露出金属光泽，同时避免管道器壁出现新的凹痕或凸点。

6.超声波流量计安装需要前后避开阻力构件如（弯头、阀门、变径处），如在垂直管道安装，其换能器的安装位需在上游弯管的弯轴平面内，以获得弯管流场畸变后较接近的平均值；

7.换能器安装处和管道壁反射处必须避开接口和焊缝；

8.换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚，衬里和管壁间不能有间隙，同时内壁做好清锈工作；

9.换能器工作面与管输器壁间应选用合适的耦合剂，保证连接面无杂质颗粒或空气存在，避免超声波传输过程中引入不同传播媒介而产生的误差；

10.多普勒法夹装式换能器可以选用同侧安装方案和对称安装方案，一般情况下，对于管输直径较小的建议选用对称安装方案，而同侧安装方案更适用于液相测量介质或含悬浮颗粒或气泡较多的液体。

三、目前存在的测量缺点：

超声波流量计目前存在的缺点首先是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。工业流量计量介质流速一般为每秒几米，超声波在气相介质中的传播速度一般情况小于1600M/S，因此工艺介质流速与超声波在工艺介质传播速度之比大于10-3，在理论推导计算时忽略此部分存在计量误差增大。一般计量精度要求达到1%[2]，因此需要在处理计算时增加误差补偿实现削减误差，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前提下才能得到实际应用的原因。其次在气相介质测量时由于噪声也会引起超声波流量计的准确精度，测量气相介质时，超声波流量计上下游的阻尼原件（如阀门、弯头、变径等）会产生除了能达到人耳频率范围内声音外还能产生人耳无法听到高频超声波，当这种声波的频率与气体超声波流量计的工作频率相近时气体超声波流量计信噪比降低，从而影响流量计的测量准确度。此外被测介质的颗粒大小以及杂质含量也对测量精度产生影响，特别是在天然气净

化厂出厂后没有达到净化指标，造成管输过程介质微粒体积不均衡，影响超声波传播和反射时间，导致延迟或提前，致使流量计工作不正常，影响超声波流量计计量精度。

四、结束语

超声波流量计作为近些年应用于天然气管道流量测量或计量用仪表，其有效地避免了常规接触式流量测量仪表一些缺陷，避免的管道内工艺介质的泄露、腐蚀、有毒有害等因素影响，对于专业技术人员应充分掌握超声波流量计的工作特点、工作原理及产生计量精度偏差原因，才能更好地了解它，使用它，使其更好地服务于天然气管输计量。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 18604-2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》，中国标准出版社，2001。

[2] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. JB/T 10564-2006《流量测量仪表基本参数》，机械工业出版社，2006。